黃春犁，高敏，高金明

（華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450015）

0 引言

隨著我國對環(huán)境保護重視度的提高，風(fēng)電、太陽能發(fā)電等清潔能源得到快速發(fā)展，尤其是新建風(fēng)電場的數(shù)量正逐步增加。然而，新建風(fēng)電場，尤其是海上、沙漠、丘陵等地區(qū)的風(fēng)電場，大多數(shù)風(fēng)機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)采用的傳輸方式為光纖雙環(huán)網(wǎng)［1］，現(xiàn)有風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)容量有限，需要擴容時仍需增設(shè)光纖，增加了擴容的工作量，而且預(yù)埋光纖大大增加了整個新建工程的施工周期，并且在光纖出現(xiàn)故障時維護不便。為了縮短新建風(fēng)電場的工程周期，提高現(xiàn)有風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)容量，部分風(fēng)電場提出了基于無線接入點（AP）［2］及通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS）［3］的風(fēng)電 SCADA系統(tǒng)無線傳輸方式，但以上無線傳輸方式均存在組網(wǎng)困難、抗干擾能力弱、不穿墻、設(shè)備安放位置要求高、傳輸帶寬小等缺點，并且需經(jīng)過多次橋接，使數(shù)據(jù)的傳輸衰減增大，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本文提出了一種基于無線數(shù)傳電臺的無線傳輸技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)中，在縮短新建風(fēng)電場工程周期、提高現(xiàn)有風(fēng)電場系統(tǒng)容量的同時，有效解決了傳統(tǒng)無線傳輸技術(shù)傳輸距離短、抗干擾性差、組網(wǎng)困難等問題。

1 風(fēng)電SCADA系統(tǒng)簡介

1.1 風(fēng)電SCADA系統(tǒng)概述

SCADA系統(tǒng)［4］是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，通過傳輸系統(tǒng)將采集到的現(xiàn)地設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)、報警信號等數(shù)據(jù)傳輸至集控中心進行監(jiān)視和控制，能夠應(yīng)用于給水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石油化工系統(tǒng)等。風(fēng)電場一般位于海上、丘陵、平原、山區(qū)等地域，設(shè)備區(qū)域分布廣泛，并且?guī)缀鯖]有影響無線傳輸?shù)淖璧K物，系統(tǒng)采集的風(fēng)機運行數(shù)據(jù)需遠程傳輸至集控中心，最遠的風(fēng)機距離集控中心10 km，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實時性直接影響了監(jiān)控數(shù)據(jù)的準確性。

風(fēng)電 SCADA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)［4］包括三相電壓、功率因數(shù)、環(huán)境溫度、風(fēng)速、發(fā)電機溫度、葉片轉(zhuǎn)速等電網(wǎng)、氣象、機組狀態(tài)參數(shù)。

1.2 風(fēng)電SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點

風(fēng)機SCADA系統(tǒng)［5］由就地監(jiān)控部分、中央監(jiān)控部分、遠程監(jiān)控部分3部分構(gòu)成：就地監(jiān)控部分位于風(fēng)機內(nèi)部，對該風(fēng)力發(fā)電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集；中央監(jiān)控部分一般布置于風(fēng)電場控制室內(nèi)，工作人員根據(jù)電腦監(jiān)控畫面了解每臺風(fēng)機的運行狀態(tài)及參數(shù)并進行遠程操作控制；遠程監(jiān)控部分根據(jù)不同需求布置于不同地點，數(shù)據(jù)傳輸一般采用電信運行商預(yù)埋的光纖傳輸。

本文研究對象為風(fēng)電場內(nèi)部的就地監(jiān)控部分至中央監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，該部分數(shù)據(jù)傳輸具有以下特點。

（1）數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠。風(fēng)電機組SCADA系統(tǒng)為風(fēng)機的穩(wěn)定、安全運行提供可靠的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要高度的穩(wěn)定性?；跓o線數(shù)傳電臺的無線傳輸技術(shù)采用高頻率波段，可避免噪聲干擾，具有可靠的穩(wěn)定性。

（2）數(shù)據(jù)傳輸速率快，實時性好。風(fēng)機在出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)必須迅速反饋到監(jiān)控終端，該無線傳輸方案傳輸速率可達ms級別，實時性較高。

（3）無線傳輸系統(tǒng)可擴展。系統(tǒng)留有擴充接口，將來功能或模塊擴充時不影響現(xiàn)有的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，方便后續(xù)其他系統(tǒng)模塊的擴充。

2 目前風(fēng)電場常用無線傳輸技術(shù)

2.1 無線AP

無線AP［2］主要技術(shù)協(xié)議為IEEE 802.11系列，典型的傳輸距離可覆蓋幾十米至上百米，也可以通過多個設(shè)備進行橋接延長傳輸距離，目前最遠可達30 km左右。該技術(shù)傳輸速率可達10MB／s，但應(yīng)用于大面積覆蓋的風(fēng)電場時，組網(wǎng)困難、抗干擾能力弱、不穿墻、設(shè)備安放位置要求較高。

2.2 3G／4G

3G／4G是電信公司的一種移動通信業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達1MB／s，工業(yè)用RS232／485串口設(shè)備可將串口通信立即轉(zhuǎn)換為3G／4G無線網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)可接入電信公司的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠距離傳輸。但由于風(fēng)電場地處偏僻地區(qū)，并且通信基站建設(shè)費用很高，且需按流量收費，所以該技術(shù)較難應(yīng)用于風(fēng)電場數(shù)據(jù)傳輸。

3 無線數(shù)傳電臺技術(shù)簡介

無線數(shù)傳電臺［6］是借助數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)和無線電技術(shù)實現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電臺。數(shù)傳電臺不僅可以傳輸數(shù)據(jù)，而且能夠傳輸視頻圖像。數(shù)傳電臺采用透明傳輸協(xié)議，傳輸速率可達1 MB／s，數(shù)據(jù)處理時間約為10ms，能夠?qū)崟r、可靠地完成數(shù)據(jù)傳輸，具有安裝維護方便、成本低、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、覆蓋范圍遠的特點，適合點多分散、地理環(huán)境復(fù)雜等場合［7］。

3.1 傳輸數(shù)據(jù)可靠

無線數(shù)傳電臺的工作波段包括2個頻段336～344MHz及902～928MHz，與電廠常見噪聲波段30 MHz不相交，能夠很好地避免噪聲干擾，并且每臺風(fēng)機設(shè)置不同信道，每組網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不同的傳輸頻率／波段，避免風(fēng)機、網(wǎng)段之間的干擾，大大降低系統(tǒng)傳輸?shù)恼`碼率。

3.2 傳輸協(xié)議為透明傳輸

風(fēng)機塔基控制柜內(nèi)的數(shù)據(jù)由網(wǎng)口輸出，所以無線傳輸系統(tǒng)前端連接網(wǎng)口，后端通過無線將數(shù)據(jù)傳輸至集控中心，無線數(shù)傳電臺傳輸協(xié)議為透明傳輸，即輸入為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，傳輸至集控中心的仍是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，傳輸效果與光纖傳輸方式一致。

3.3 傳輸距離遠

系統(tǒng)采用高速工業(yè)級的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，傳輸衰減極弱，理論傳輸距離可達50 km?；跓o線數(shù)傳電臺的無線傳輸技術(shù)與以上技術(shù)的對比見表1。

表1 無線傳輸技術(shù)對比

4 無線數(shù)傳電臺數(shù)據(jù)傳輸解決方案

4.1 無線傳輸系統(tǒng)組成

風(fēng)機SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡圖

系統(tǒng)控制單元PLC將數(shù)據(jù)傳輸至塔機控制柜交換機，再通過光纖／無線傳輸至風(fēng)電場控制中心。為了提高穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的光纖傳輸采用光纖自愈環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其原理是采用2條傳輸線路，每條線路為全雙工工作模式，即收發(fā)并用，2條傳輸線路互為備用，增強傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于無線數(shù)傳電臺的數(shù)據(jù)傳輸模式為時序雙工工作模式，即不能同時進行收發(fā)，收與發(fā)之間有10～20ms的延時，為了繼承光纖自愈環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點，本文基于無線數(shù)傳的無線傳輸方案采用雙收雙發(fā)的工作模式，形成雙線路互為備用的輸出模式，單臺風(fēng)機的系統(tǒng)組成如圖2所示。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸理論分析

為了能夠?qū)⒉杉降腟CADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確地傳輸至風(fēng)電場控制中心，需對無線數(shù)傳電臺的天線架設(shè)高度進行計算。

數(shù)據(jù)傳輸距離與天線架設(shè)高度的關(guān)系如圖3所示：受地球曲面曲率的影響，收發(fā)設(shè)備之間最大可視距離

式中：d為最大可視距離，km；hs，hf分別為收、發(fā)天線的架設(shè)高度，m。

圖2 單臺風(fēng)機無線傳輸系統(tǒng)組成

圖3 可視距離計算示意

假設(shè)某個風(fēng)電場控制中心高度為30.0m，最遠一臺風(fēng)機距離控制中心為30 km，則通過公示計算得出風(fēng)機發(fā)射端天線架設(shè)高度至少為3.3m。

5 無線傳輸系統(tǒng)在某風(fēng)電場的應(yīng)用

基于無線數(shù)傳電臺的無線傳輸系統(tǒng)在內(nèi)蒙古某風(fēng)電場應(yīng)用后，運行效果良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠，且傳輸實時性好，能夠滿足該風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。該風(fēng)電場70m高年平均風(fēng)速為8.2m／s，平均海拔約為1 630m，地形起伏不大，地表植被稀少，多為荒漠草原，該風(fēng)電場共設(shè)有風(fēng)機33臺，風(fēng)機之間最小距離約為400m，風(fēng)機到監(jiān)控中心最遠距離約為5 km。某風(fēng)電場風(fēng)機布置如圖4所示。

圖4 某風(fēng)電場風(fēng)機布置圖

針對該風(fēng)電場進行無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計，無線數(shù)傳電臺采用點對多的工作方式，1臺接收電臺理論上可接收253臺設(shè)備發(fā)送信號，接收方式為輪巡方式，即接收端不能同時接收253臺設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，需要逐個接收。為了更好地接收數(shù)據(jù)，將33臺風(fēng)機分為3組，無線傳輸系統(tǒng)采用1對11的工作方式，即1臺接收端接收管控11臺風(fēng)機發(fā)送端，3組在控制中心收發(fā)端共用1臺管理型交換機。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖5所示），單組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示（圖中：字母a為第1組網(wǎng)絡(luò)，a～f共6組，b～f未在圖中表示；數(shù)字1～11為一組網(wǎng)絡(luò)11臺風(fēng)機編號；字母t表示發(fā)送端；字母r表示接收端；字母bt表示備份發(fā)送端；字母br表示備份接收端）。

圖5 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6 單組（11臺）風(fēng)機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

理論分析：該風(fēng)電場控制中心樓房高度為12 m，最遠風(fēng)機距離控制中心5 km，通過式（1）計算得出風(fēng)機發(fā)射端的天線架設(shè)高度至少為0m，即天線架設(shè)在地面即可。系統(tǒng)架設(shè)完成后，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，運行穩(wěn)定、可靠。

無線傳輸系統(tǒng)在該風(fēng)電場經(jīng)過一段時間的應(yīng)用，應(yīng)用情況整體良好，沒有事故發(fā)生，系統(tǒng)能夠準確無誤地傳輸SCADA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性能夠滿足SCADA系統(tǒng)的要求，而且大大提高了維護的便利性，但是在應(yīng)用過程中仍然存在一定的不足［9-16］。

（1）無線傳輸系統(tǒng)受惡劣雷雨天氣影響較大。經(jīng)過對無線傳輸系統(tǒng)一段時間的觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在天氣較好的情況下數(shù)據(jù)傳輸實時、穩(wěn)定，但一遇到雷雨天氣，個別風(fēng)機狀態(tài)數(shù)據(jù)的接受經(jīng)常會出現(xiàn)中斷及長期不刷新的情況，且該問題尚未徹底解決。

（2）在老風(fēng)電場增設(shè)無線傳輸系統(tǒng)存在IP不足的情況。在該風(fēng)電場的應(yīng)用是在風(fēng)電場原有的光纖傳輸方式基礎(chǔ)上增設(shè)一套無線傳輸系統(tǒng)，風(fēng)電場的風(fēng)機IP局域網(wǎng)段255個IP地址大部分已被使用，僅剩下40個IP地址供擴展使用，但常規(guī)情況下每臺風(fēng)機需要4個IP地址，33臺風(fēng)機需要132個IP地址，IP地址嚴重不足。最終在系統(tǒng)的收發(fā)端各增設(shè)一個交換機問題才得以解決，但同時增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

6 結(jié)論

基于無線數(shù)傳電臺技術(shù)的無線傳輸系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面收發(fā)穩(wěn)定、可靠，并且設(shè)備安裝簡單，只需將天線架設(shè)到適當(dāng)?shù)母叨燃纯?，?shù)據(jù)傳輸速率達到ms級別，且最長傳輸距離在無阻礙物的狀況下可達50 km，能夠完全覆蓋絕大部分風(fēng)電場的所有風(fēng)機，實時性也滿足SCADA系統(tǒng)的要求。將無線傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于某風(fēng)電場，能夠準確無誤地收發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定。但也存在個別風(fēng)機受惡劣天氣的影響以及IP不足等問題，為了解決存在的問題，今后將針對系統(tǒng)的抗干擾能力進行研究。

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